洋山深水港四期自动化码头自动配载理论与实践

1 上海国际港务(集团)股份有限公司尚东集装箱码头分公司 2 上海海勃物流软件有限公司 3 华东师范大学

1 引言

配载是码头作业过程中的一个非常重要的组成部分，关系着码头和船方两方的利益。对于船方而言，配载需要以积载要求为基础，以满足船舶适航条件要求为前提；对于码头来说，配载需要达到码头的作业要求，保证作业的连续性，在船期内完工。配载的好坏很大程度上决定了船舶的作业是否顺利。

汪圆圆等[1]针对挂靠多港口集装箱船的全航线预配问题，以倒箱量最少、船舶纵向强度最优为目标，提出0-1整数规划模型，并采用混合整数规划算法、蚁群算法和遗传算法等模拟计算得出8BAY集装箱船全航线智能预配问题研究的最优结果。牛王强等[2]从船方和码头两方面总结了自动配载近十多年的研究进展，给出了数学规划方法的一般思路。王斌等[3]对集装箱优化配载的具体流程进行了研究，设计了一个可以搭载不同优化算法的配载软件，并进行了软件实现。黄桁[4]研究了确定性和不确定性的自动化码头配载问题，针对确定性问题，设计基于集装箱与船箱位编号排序的禁忌搜索算法，在此基础上设计具有轮盘赌选择交换算子的改进禁忌搜索算法，基于贪婪算法设计禁忌搜索的初始解，通过一个BAY的数据算例证明了其鲁棒优化模型的正确性和算法搜索的高效性。但上述研究仅停留在理论阶段，未能在码头中推广使用，或是未能考虑到目前机械设备、码头布局的革新。目前在洋山深水港四期全自动化集装箱码头内，所有船舶均可使用自动配载。本文就洋山深水港四期自动化码头的自动配载系统进行分析和介绍，以便更好地推广和改善自动配载系统。

2 洋山深水港四期自动化码头的自动配载分析

如图1所示，洋山深水港四期自动化码头为了提升自动化堆场的容量和优化堆场布局[5]，相对于传统码头，作出了5个方面的改变：

图1 洋山深水港四期自动化码头堆场布局

(1)箱区采取了不同于传统码头的水平布置，转而变为垂直码头布置，箱区之间为维修通道，两端设置AGV(Automatic Guided Vehicle，自动导引车)和集卡的交换区，水平运输机械不进入箱区，减少场内道路，严格区分自动化和非自动化区域，在交通管控上有了很大的改善。

(2)堆场纵深依据地形实现了最大化。

(3)与传统码头使用轮胎吊不同，每个箱区配置2台轨道吊同轨运行。无悬臂箱区有明显的海陆侧分工，也能通过接力互相支援。当一台轨道吊故障时，将其推至维修区，另外一台轨道吊能够顶替作业。悬臂箱区则主要负责中转与出口业务，AGV可以驶入箱区内的21 m通道，2台轨道吊可以同时进行海侧作业，而陆侧作业只能由陆侧轨道吊完成。

(4)海侧AGV交换区设置了支架，增加调度的冗余度；陆侧则是直接对集卡作业。

(5)冷藏箱采用相对集中的布置，与普通箱一同堆放在自动化箱区中。

对于配载员来说，最重要的是在满足船公司要求的重量、港口分布、特种箱特定位置的基础上，保证船舶作业的连续性，即保证供给桥吊的箱区出箱顺畅。

在传统码头，通常1条靠泊船舶的出口箱与中转箱堆场计划会安排在靠泊泊位的2～3块箱区，可由多台轮胎吊同时进入箱区进行发箱作业，即1个箱区有多个出箱点。在洋山深水港四期自动化码头中，无悬臂箱区可认为1个出箱点，悬臂箱区最多为2个出箱点。为了保证同样的出箱点数量来满足海侧供箱能力，堆场计划不得不将1条靠泊船舶的出口箱安排在了靠泊泊位附近的几个，甚至十几个箱区中，给配载员的判断造成了很大的困难。

传统码头配载员在配船时，通常会注意每条桥吊作业路的箱区分布，尽可能在保证每条作业路的作业效率的前提下，确保在同一作业时间段堆场轮胎吊发箱不会冲突，作业路之间干扰较少。传统码头箱区数量较少，箱子分布较为集中，同一箱区出箱点较多，配载判断较为容易；洋山深水港四期自动化码头箱区数量多，箱子的分布又较为分散，配载员很难保证各条作业路均顺畅运转、互不影响，因此自动配载的开发使用很有必要。

自动配载将配载员的经验通过计算机语言和程序的方式，展现到配载结果上，相较于人工配载有以下3点优势：

(1)简化配载员操作与思维。自动配载只需要制作预配船图，相当于只需要搭建一个框架，具体的填充内容无需人工操作。

(2)提升整体配载效果。自动配载整体结果快捷可靠，在堆场使用正常的情况下，自动配载对于单船的首配重箱翻箱率低于10%，拼车率低于20%，清列率大于80%；空箱翻箱率为0，拼车率低于2%，清列率大于85%。通常在预配准确、放关率较好的情况下，设置好各类要求的参数后，只需要调整数箱至数十箱之内，出箱情况良好。

(3)充分利用EDI船图。对于传统码头，船公司提供的EDI船图是无用的。但是在洋山深水港四期自动化码头，只要EDI船图的信息与在场箱信息出入不大，即可直接使用完成配载。

3 洋山深水港四期自动化码头自动配载的实现方式

3.1 自动配载总体流程

洋山深水港四期自动化码头自动配载整体实现流程为：载入信息、数据校验赫尔格式化处理、预配的属性组检查、预配的重量组检查、重量组划分、重量填充、应用自动配载算法进行配载、自动检查交换、输出配载结果。

3.2 载入信息及格式化处理

系统自动读取航次信息、参数文件、箱分组信息、船舶重量要求信息、港口信息、CWP工作计划、预配位信息、箱区信息、在场箱信息、箱作业时间信息、船舶结构信息、重量等级信息的数据文件。将读取的原始数据进行归类整理，按照不同的关键字进行分类，存放在不同的数据结构中。

3.3 合法性检查与重量划分、填充

配载时的重要选箱原则就是规则与重量，所以将其分为属性组和重量组方便后续选箱。属性组即码头中箱子对应的规则，包含尺寸、空重、冷冻标志、危险品标志、箱型、高平、港口等内容。重量组可由船舶结构的数据导入，也可重新进行人工输入设定。如0～5 t为一个重量组，范围越小，越容易满足船方要求，但是翻箱率越高；范围越大，则可能会偏离船方的要求，但是翻箱率会有所下降。

预配位是拥有预配规则的船箱位。合法性是数量与重量上处于可执行的状态为合法，如制作好规则和重量组，预配箱数量小于等于可配箱、预配箱的重量处于在场箱重量组范围内等。

(1)检查属性组。根据统计得到的预配位的属性组信息，对比每个属性组中预配位和在场箱的箱子数目是否一致。如果在场箱中找不到符合这种属性组信息的箱子，就会出现提示信息，要求人工干预，检查输入信息是否有误；如果在场箱中这种属性组的集装箱不足以将该种属性组的预配位全部配载，那么便会输出提示信息，对多出的预配位信息进行人工调整。

(2)检查重量组。如果每个预配位都有相应的重量，要检查这个重量是不是和该预配的重量组相匹配(一般这种情况出现在EDI导入)。循环遍历整个预配集合，检查每个预配位重量是否在对应的重量组范围之内。如果不合法，需进行重量组的重新划分和重量填充，否则便直接进入配载过程。

(3)重量组划分。重量组的划分逻辑见图2，其匹配划分流程见图3。为了实现整船重量的合理分布，在匹配划分中进行如下的设计：将每个属性组的预配位集合根据距离中心排、最小层(甲板上下的最小层不同)、中心排的位置偏差大小进行排序，得到以中心到偏离中心的顺序排序后的甲板上下的预配位集合。循环这个排序后的结构，将重量组按照从重到轻进行填充，并按照中心位置排序后的预配位集合，一次循环会填充甲板上下各一个预配位对应的重量组(如果甲板上下都还有预配位)，一直到某个属性组的某个重量组数目填完，再填下一个重量组，最终将全部预配位要求的重量组填完，结束填充。

图2 重量组划分逻辑

图3 重量组匹配划分流程

(4)重量填充。每个预配位都有对应的重量组和预配的船箱位，结合重量组的重量范围和船箱位在船上的位置权重进行相应的重量填充。如果该预配位比较靠近中心位置，填充的重量应该接近重量组的上限；而越偏离中心位置的预配位，填充的重量应越接近重量组的下限。在该重量组的最小重量的基础上，加上和位置有关的增加重量偏差，即得到该位置的填充重量。

3.4 应用算法进行配载

在配载具体某一个预配位时，对于所有的候选预配箱，需要指定一个合理的评价策略，整个决策的过程会根据这个评价策略的指标来进行。每一个预配位的决策过程都希望能选到最优或者次优的解，进而获得整体的优解，因此，评价函数对预配箱选择的结果起到决定性作用，科学合理的评价函数才能获得好的配载效果。针对洋山深水港四期自动化码头，算法目前考虑如下因素：

(1)轨道吊相关因素。包括大车移动速度、距离、作业不同层数在场箱的时间、位于悬臂或无悬臂箱区等。

(2)翻箱因素。

(3)AGV因素。

(4)重量因素。

(5)其他因素。主要包含洋山深水港四期自动化码头具体情况的因素：在16 min内出过4箱以上的箱区加罚分，避免箱区冲突；选择尽量小于该预配位的填充重量的箱子，避免超过槽重限制； 桥吊双箱吊作业的第2个箱子尽量与第1个箱子在同一箱区出箱，减少AGV拼箱的行驶时间；悬臂轨道吊尽量选择前一个装船箱的同一在场贝位的箱子，减少大车的移动时间；轨道吊尽量选择前一个装船箱的同一在场列的箱子，增加清列率，减少因为桥吊作业快慢或突发情况造成的翻箱，同时提高堆场的利用率；候选箱集中的箱区优先选择出箱，避免作业最后该箱区箱子剩余过多；允许舱内或甲板同一列中同港口组的高平大箱的上下互换，减少翻箱。

因此，其中部分因素是直接的时间因素，可以将其统一为时间单位。而像重量因素并不是直接的时间因素，为了便于比较和调节不同因素之间的重要程度，需要将非时间因素转化为时间因素，便于评价值的比较，也便于在实践操作中根据码头的不同工作状态，甚至是不同码头的不同情况，调节各因素之间的权重，进而取得较好的配载效果。在确定了预配箱的评价函数之后，还要确定配载整体评价的流程。在出箱过程中，先后集装箱之间是会互相影响的，比如同一个列中的上方集装箱和下方集装箱在倒箱时间上就会有直接影响，或者同一箱区出箱量与附近箱区出箱量之间也会互相影响。因此，配载除了对单独的每一个预配位进行评价之外，还需要给整个过程设计一个整体的优化策略。由于一次配载通常需要处理几百到几千个预配位，要获得全局最优解是难以实现的，所以采取了分枝搜索的算法，分出X条链路，考虑Y个预配位，选取综合最优。

3.5 自动检查交换，输出配载结果

在执行完自动配载后会生成第一次的结果，针对配载员设置的参数进行检验，对于不满足的位置进行箱子之间的交换，得到符合要求的结果。

(1)重压轻检验交换。当出现有甲板或舱内上层箱比下层箱重的情况，结合配载设置的参数检验是否在允许范围内，如果超出，则进行该列上下层箱的交换。

(2)槽重负荷检验交换。通过配载员输入的平均大小箱负荷，在结合预配、已配、过境的层数计算得出总负荷，减去已配和过境的重量得到该倍预配的单槽负荷值，根据得出的负荷值执行下一阶段过程。其计算公式为：平均负荷×所有箱子的层数-(已配箱重量+过境箱重量)=预配箱负荷。

自动配载完成后检验槽重，记录超重的槽和超重的吨位。进行整船检索，优先交换舱内不同槽的箱子，解决超重的问题，同时根据重量允许的范围进行整船重压轻的重量组交换。记录交换后的整船重量分布，删除原先配载，重新生成配载，其目的是得到更好的配载效果。例如，交换后一个预配位记录了24.5 t的重量，那么再次配载时给出一个24～25 t的重量组范围。多次重复上述步骤，将重量范围越缩越小，直至不出现超负荷的情况。如出现没有合适箱子可用交换时，完成自动配载，给出超重位置，让配载员人工介入。

4 结语

自动配载系统从开港运行至今表现良好，已经能够支持目前16台桥吊同时作业的规模，对于船方的积载要求也能基本满足，同时也支持人工调整满足船方的特殊要求。但作为一个全新的系统，其中的部分决策因素仍需要不断进行优化，以适应自动化码头作业的需求。